TEMA 1: Conceptos generales •Procesos de ... - IqTMA-UVa

TEMA 1: Conceptos generales
•Procesos de separación en la Industria Química.
•Separaciones de equilibrio o controladas por
la velocidad:
Factor de separación.
•Contacto continuo o por etapas de equilibrio.
Tema 1. Seader and Henley
Temas 1 y (3). King

Procesos de separación utilizados en la
Industria Química.
Objetivos:
•Delimitar las operaciones de separación que se
desarrollarán en el programa, realizando una
primera descripción de los objetivos y
fundamentos físicos de cada una de ellas.
•Señalar los posibles criterios de clasificación:
En función de las fases implicadas, del modo
de contacto, del modo de operación, del agente
de separación, etc.

DIFUSIONALES
Separan a nivel molecular
Mezcla inicial: Fase homogénea
F: 1 fase
Agente de separación
Separación
difusional
Energético
Material
Barrera
2 Fases:Transferencia de materia y/o calor
Productos: 2 Fases
Separación
mecánica

Clasificación de las operaciones de separación
MECÁNICAS
Centrífuga
Ciclón
Decantador
Separador electrostático
Separador de emulsiones
Filtración
Flotación
Magnéticas
Sedimentación
DIFUSIONALES
HETEROGÉNEAS
No Equilibrio
Membranas No Membranas
Ultrafiltración Adsorción cinética
Electrodiálisis
Pervaporación
Ósmosis inversa
Permeación de
gases
Equilibrio
HOMOGÉNEAS
Espectrómetro de masas
Difusión gaseosa
Difusión térmica
Ultracentrifugación
Electroforésis
Cromatografía
Afinidad
Capilaridad
LLC
GSC
CGS
HPLC
Gas-Sólido
Adsorción
Sublimación
Líquido-Sólido
Adsorción
Cristalización
Fusión zonal
Intercambio iónico
Extracción S-L
Lavado
Secado de sólidos
Gas-Líquido Líquido-Líquido
Absorción Extracción
Destilación
Azeotrópica
Extractiva
Flash
Reactiva
Vapor
Vacío
Tres Fases

TEMA 1: Conceptos generales
•Procesos de separación en la Industria Química.
•Separaciones de equilibrio o controladas por
la velocidad:
Factor de separación.
•Contacto continuo o por etapas de equilibrio.
Tema 1. Seader and Henley
Temas 1 y (3). King

TEMA 1: Conceptos generales
Separaciones de equilibrio o controladas por la velocidad:
Factor de separación.
.
Objetivos:
•Definir el factor de separación, como
concepto general aplicable a cada operación
y como criterio inicial de selección.
•Definir los conceptos de etapa de equilibrio
y eficacia de separación.

COMPONENTES: i, j
Fases: I, II
FACTOR DE SEPARACIÓN α
Agente de
separación
F (z i , z j )
x i
I
x i
II
x j
I
Fase I
x j
II
α
ij
=
x
x
I
i
II
i
·x
·x
II
j
I
j
≥
1
Fase II

F
ETAPA TEÓRICA DE EQUILIBRIO
Fase I
Fase II
x iI , x jI , P I , T I
x i
II
, x j
II
, P II , T II
Equilibrio:
P I = P II
T I = T II
x iI
= K i·x i
II
x jI
= K j·x j
II
α
ij
=
K i =
K
j
x
x
I
i
I
j
x
x
II
i
II
j
α inherente o teórica:
Cociente coef distribución
Volatilidad relativa
α depende menos que K de P, T, x i , x j

F
ETAPA TEÓRICA DE EQUILIBRIO
Fase I
Fase II
x iI , x jI , P I , T I
x i
II
, x j
II
, P II , T II
α real < α teórico
Equilibrio:
P I = P II
T I = T II
x iI
= K i·x i
II
x jI
= K j·x j
II
α REAL : EFICACIA
Mezcla de fases
Cinética de transferencia de materia y/o calor
Modelos de flujo
Separación de fases: arrastre

SEPARACIONES CON CONTROL CINÉTICO
α inherente o teórico:
Considera un único mecanismo controlante
α real < α teórico
Valor empírico

2.- Considérese un proceso de
evaporación para separar una solución
diluida de sal y agua, siendo la sal
totalmente no volátil. Calcúlese el
factor de separación real aparente si se
vaporiza la mitad del agua en la
solución alimento y se arrastra un 2%
del líquido restante en el vapor
saliente.

TEMA 1: Conceptos generales
•Procesos de separación en la Industria Química.
•Separaciones de equilibrio o controladas por
la velocidad:
Factor de separación.
•Contacto continuo o por etapas de equilibrio.
Tema 1. Seader y Henley
Temas 1 y (3). King

TEMA 1: Conceptos generales
Contacto continuo o por etapas de equilibrio.
Objetivos:
•Describir los modos de contacto aplicables al
diseño y operación de cualquier proceso, con
independencia del tipo particular de separación.
•Eligiendo como referencia alguna operación
particular, establecer los balances de materia para
una y varias etapas con flujo de las fases en
corrientes paralelas, contracorriente y cruzado,
comparando los resultados. Introducir la ecuación
de la línea de operación.

SEPARACIÓN DIFUSIONAL
HETEROGÉNEA EQUILIBRIO
•Transferencia de materia entre fases
•Fuerza impulsora: Δ potencial químico
•Etapa:
Contacto entre fases + separación mecánica
F
Agente de
separación
Fase I
Fase II
x iI , x jI , P I , T I
x i
II
, x j
II
, P II , T II

SEPARACIÓN DIFUSIONAL
HETEROGÉNEA EQUILIBRIO
F
Fase I
x iI , x jI , P I , T I
Agente de
separación
Fase II
x i
II
, x j
II
, P II , T II
RESOLUCIÓN 1 ETAPA (equilibrio teórico):
Balance de materia global
Balance a C-1 componentes
Equilibrio entre fases

SEPARACIÓN DIFUSIONAL
HETEROGÉNEA EQUILIBRIO
Etapa de equilibrio:
Separación limitada al valor de equilibrio: α
SOLUCIÓN Acoplamiento de etapas múltiples:
•Corrientes paralelas
•Flujo cruzado
•Contracorriente

Suppose we have two discrete stages that can mix and separate
phases,and that the stages can be connected cocurrently,
crosscurrently, or countercurrently for gas-liquid contacting.
Find the contacting pattern ( both graphical construction and
analytical method ) that will give the maximum removal of a
single transferring component from the gas phase if a fixed
amount of solvent is to be used.We have the following data:
Inlet liquid flow, L = 20 units/time
Inlet liquid composition = 0% transferring component
Inlet gas flow, G = 20 units/time
Inlet gas composition = 30 mol % transferring component
Only one component transfers between gas and liquid
Process is isothermal and isobaric
Each stage can be considered to be an ideal stage
Equilibrium data in terms of mole ratios: Y = 0.408X, where X
and Y are the ratios of the transferring component to the
nontransferring component

ABSORCIÓN
G 0 , y 0 G 1 , y 1
G
L 0 , x 0
L
L 1 , x 1
Resolución: balances de materia + equilibrio
G 0
+ L 0
= G 1
+ L 1
G 0·y 0
+ L 0·x 0
= G 1·y 1
+ L 1·x 1
y 1 = H·x 1
G 1
< G 0
; y 1
< y 0
; L 1
> L 0
; x 1
> x 0

ABSORCIÓN
G 0 , y 0 G 1 , y 1
L 0 , x 0
G
L
L 1 , x 1
G 1
< G 0
; y 1
< y 0
; L 1
> L 0
; x 1
> x 0
Cálculos en BASE EXENTA del soluto transferido
G’ moles de compuesto gas que no se transfiere
L’ moles de compuesto líquido que no se transfiere
Y
=
moles soluto en fase gas
moles componente gas que no transfiere
y
=
1−
y
X
=
G 0·y 0
= G’·Y 0
/ G 1·y 1
= G’·Y 1
moles soluto en fase líquida x
=
moles componente líq que no transfiere 1−
x
L 0·x 0
= L’·X 0
/ L 1·x 1
= L’·X 1

1 ETAPA
ABSORCIÓN: EXENTO
G’, Y 0 G’, Y 1
L’, X 0
G’
L’
L’, X 1
Balance de materia global: G’ = cte
Balance de materia al soluto:
G’·Y 0
+ L’·X 0
= G’·Y 1
+ L’·X 1
(Y 0
-Y 1
) = -L’/G’·(X 0
-X 1
)
L’ = cte
Ecuación de una línea recta:
Pendiente –L’/G’
Dos puntos: (X 0 , Y 0 ) (X 1 , Y 1 )
Equilibrio: Y 1 = eq (X 1 )

ABSORCIÓN EXENTO 1 ETAPA EQUILIBRIO
G’, Y 0 G’, Y 1
L’, X 0
G’
L’
L’, X 1
Y
Y 0
Línea operación
-L’/G’
Línea equilibrio
Y 1
X 0
X 1
X

ABSORCIÓN EXENTO 1 ETAPA EQUILIBRIO
G’, Y 0 G’, Y 1
L’, X 0
G’
L’
L’, X 1
Y
Y 0
Línea operación
-L’/G’
Línea equilibrio
Y 1
X 0
X 1
X

ETAPAS EN CORRIENTES PARALELAS
G’, Y 0
G’, Y 1
Etapa 1
L’, X G→L
0 L’, X 1
Etapa 2
G→L
G’, Y 2
L’, X 2
Etapas teóricas: Equilibrio
En corrientes paralelas la salida
es independiente del número de etapas
Y 1
= Y 2
= Y 3
= .....Y n
X 1
= X 2
= X 3
= .....X n

ABSORCIÓN: ETAPAS EN CONTRACORRIENTE
G’, Y 0
G’, Y 1
Etapa 1
L’, X 1
G L L’, X 2
Etapa 2
G L
G’, Y 2
L’, X 0
Y 2
X 0
Balance de materia
Global G’ = constanteL’= constante
Soluto G’·Y 0
+L’·X 0
G’·Y 2
+L’·X 1
L’·(X 0
-X 1
) = G’·(Y 2
-Y 0
)
Ecuación de línea recta
Pendiente L’/G’
2 puntos (X 0
Y 2
)(X 1
,Y 0
)
Equilibrio

ABSORCIÓN: ETAPAS EN CONTRACORRIENTE
G’, Y 0
G’, Y 1
Etapa 1
L’, X 1
G L L’, X 2
Etapa 2
G L
G’, Y 2
L’, X 0
Y
Línea equilibrio
Y 0
Línea operación
L’/G’
Y 1
Y 2
X 0
X 2
X 1
X

ABSORCIÓN: FLUJO CRUZADO
G’, Y 0
L 1 ’, X 1 L 2 ’, X 2
Etapa 1
G L
L 1 ’, X 0
Etapa 2
L 2 ’, X 0
G’, Y 1
G L
G’, Y 2
Etapa 1: Idéntico a una única etapa
(Y 0
-Y 1
) = -L 1 ’/G’·(X 0
-X 1
)
Pendiente –L 1 ’/G’
Dos puntos: (X 0
, Y 0
) (X 1
, Y 1
), X 1
Y 1
equilibrio
Etapa 2: Nueva etapa
(Y 1
-Y 2
) = -L 2 ’/G’·(X 0
-X 2
)
Pendiente –L 2 ’/G’
Dos puntos: (X 0
, Y 1
) (X 2
, Y 2
), X 2
Y 2
equilibrio

ABSORCIÓN: FLUJO CRUZADO
G’, Y 0
L 1 ’, X 1 L 2 ’, X 2
Etapa 1
G L
L 1 ’, X 0
Etapa 2
L 2 ’, X 0
G’, Y 1
G L
G’, Y 2
Y
Y 0
Línea operación
-L 1 ’/G’
Línea equilibrio
Y 1
X 0
Línea operación
-L 2 ’/G’
Y 2
X 2
X 1
X